一种他励直流电机的制作方法

本发明属于直流电机领域，特别涉及一种他励直流电机。

背景技术：

他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组分别由两个电源供电，励磁电流单独提供，与电枢电流无关。因而他励直流电机控制方便，容易实现调速、正反转和能量回馈。广泛应用于电动叉车、电动汽车、电动观光车、电动牵引车、大型机床主轴传动系统和船舶等等。

直流电机一般是与斩波器一起使用构成直流电机调速装置的，为了保证系统可靠性，斩波器的最大输出电流一般是电机额定电流的2到3倍。斩波器是采用脉冲宽度调制技术控制功率开关管的导通和关断来改变输出电压和输出电流的，其输出电流纹波的大小与功率开关管的开关频率成反比，功率开关管的开关频率的大小与开关损耗(或温升、故障率)成正比。而电机输出转矩纹波是与电流纹波的平方正比。因此，为了减小电机输出转矩纹波或者减小电流纹波，必须提高开关频率；而为了减小开关损耗，又必须降低开关频率。这一个矛盾关系影响了大功率高性能直流电机调速装置的发展。导致其在数控机床等对转矩纹波要求很高的装置上难以应用。

应用于国防设备中的他励直流电动机，由于隐身的需求对振动和电磁干扰特别敏感，也就是说对电机输出转矩的纹波和电流的纹波要求特别严格。而目前，应用于大功率国防电动设备的传统型他励直流电机已经难以应对技术日益发达的侦查技术。

基于上述原因，他励直流电动机发展受到了制约和影响，影响了经济建设和国防建设。

技术实现要素：

本发明是为解决上述问题而进行的，提供了一种他励直流电机。

为了实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：

本发明提供了一种他励直流电机，与第一直流电源装置和第二直流电源装置相连接，具有额定输入电流，其特征在于，包括：机壳；m对电刷，固定在机壳内，根据额定输入电流设置而成；定子，设置在机壳内，包含与m对电刷相对应的m对主磁极以及一个励磁绕组；以及转子，设置在定子内，包含采用叠绕组方式连接的多个电枢绕组，其中，每一对主磁极含有s极性主磁极和n极性主磁极，每一对电刷含有一个与s极性主磁极相对应的s极对应电刷和一个与n极性主磁极相对应的n极对应电刷，励磁绕组部含有n个励磁绕组单元，每一个励磁绕组单元通过由包裹有绝缘层的金属线构成的绝缘金属线在m对主磁极上分别制成励磁线圈而形成，每个励磁绕组单元中的绝缘金属线具有一端和另一端，m对的主磁极含有预定的一对主磁极作为一对预定主磁极，绝缘金属线的一端从一对预定主磁极中的s极性主磁极或者n极性主磁极引出，各个绝缘金属线的所有一端对应于一对预定主磁极中相同极性的主磁极；各个s极对应电刷或各个n极对应电刷分别设有接线端作为m个第一外部接线端用于与第一直流电源装置的一极电气连接，未与第一外部接线端电气连接的其余电刷分别设有接线端作为m个第二外部接线端用于与第一直流电源装置的另一极电气连接，各个绝缘导体条的所有一端作为n个第三外部接线端用于与第二直流电源装置的一极电气连接，各个绝缘导体条的所有另一端作为n个第四外部接线端用于与第二直流电源装置的另一极电气连接，m为不小于2的正整数，n为不小于2的正整数。

本发明提供了一种他励直流电机，与外部的第一直流电源装置和第二直流电源装置相连接，具有额定输入电流，其特征在于，包括：机壳；m对电刷，固定在机壳内；定子，设置在机壳内，包含与m对电刷相对应的m对主磁极以及一个励磁绕组部，以及转子，设置在定子内，包含多个电枢绕组，其中，励磁绕组部含有n个励磁绕组单元，励磁绕组单元由分别设置在每一个主磁极上的共2m个励磁线圈连接成，每个主磁极上包含n个励磁线圈，该励磁线圈通过由包裹有绝缘层的条形导体构成的绝缘导体条在主磁极上分别绕制而成，每个励磁绕组单元中的绝缘导体条具有沿励磁线圈的预设电流方向而区分的一端和另一端，每一对主磁极含有与励磁线圈绕制方向和励磁线圈的预设电流方向相对应的s极性主磁极和n极性主磁极，每一对电刷含有一个与s极性主磁极相对应的s极对应电刷和一个与n极性主磁极相对应的n极对应电刷，各个s极对应电刷或各个n极对应电刷分别设有接线端作为m个第一外部接线端用于与第一直流电源装置的一极电气连接，未与第一外部接线端电气连接的其余电刷分别设有接线端作为m个第二外部接线端用于与第一直流电源装置的另一极电气连接，各个绝缘导体条的所有一端作为n个第三外部接线端用于与第二直流电源装置的一极电气连接，各个绝缘导体条的所有另一端作为n个第四外部接线端用于与第二直流电源装置的另一极电气连接，m为不小于2的正整数，n为不小于2的正整数。

本发明提供的他励直流电机还可以具有这样的技术特征，还包括：接线盒，固定在机壳上，其中，m个第一外部接线端、m个第二外部接线端、n个第三外部接线端以及n个第四外部接线端被设置在接线盒内。

本发明提供的他励直流电机还可以具有这样的技术特征：其中，一个第一外部接线端和相对应的一个第二外部接线端构成一个电枢接线单元，一个第三外部接线端和相对应的一个第四外部接线端构成一个励磁接线单元。

本发明提供的他励直流电机还可以具有这样的技术特征：其中，m个电枢接线单元与至少一个第一直流电源装置对应电气连接，n个励磁接线单元与至少一个第二直流电源装置对应电气连接。

本发明提供的他励直流电机还可以具有这样的技术特征：其中，绝缘导体条为漆包线和绝缘铜导条中的任意一种。

本发明提供的他励直流电机还可以具有这样的技术特征：其中，所有主磁极上的m个励磁线圈的绕制方向和匝数都相同。

本发明提供的他励直流电机还可以具有这样的技术特征：其中，在每个励磁绕组单元中，2m个励磁线圈的连接关系是串联、并联和串并联中的任意一种，各个励磁绕组单元中的2m个励磁线圈的连接关系相同。

本发明提供的他励直流电机还可以具有这样的技术特征：其中，多个电枢绕组的联结方式是单叠、复叠和复波中的任意一种。

本发明提供的他励直流电机还可以具有这样的技术特征：其中，第一直流电源装置和第二直流电源装置分别为斩波器、电池和整流电源中的任意一种。

发明的作用与效果

根据本发明提供的他励直流电机，因为励磁绕组部含有n个励磁绕组单元，所以，每个励磁绕组单元由一个外部直流电源装置独立供电时，每个外部直流电源装置只要承担一个励磁绕组单元的工作电流，只有电机励磁电流的n分之一。

一对电刷之间连接了一条电枢绕组支路，每对电刷和左右相邻的两个电刷分别连接了一条电枢绕组支路，所以，每个第一外部接线端和对应的第二外部接线端由一个外部直流电源装置独立供电时，每个外部直流电源装置只要承担最多2条电枢绕组支路的工作电流，只有电机电枢电流的m分之一。

随着电机电枢电流的增加，只要m足够大，由m个外部直流电源装置独立供电，每个外部直流电源装置的输出电流就可以小到不需要采用功率模块或并联均流技术，从而降低成本。

而且，外部直流电源装置和电机中的电刷、励磁绕组单元、连接线出现故障时，只需要把故障所在部分屏蔽即可，其他正常部分依然可以工作，提高了系统的可靠性和安全性。

每个外部直流电源装置可以采用不同的控制，使得每个输出电流的波形不一致，把所有外部直流电源装置的输出电流之和的纹波和纹波系数减小，也就是电机励磁电流和电枢电流的的纹波和纹波系数都减小，从而减小电机的输出转矩的纹波和纹波系数，进而减小电机输出转速的的纹波和纹波系数，减小电机的电磁干扰、振动和噪声。

相对于只有四个接线端的传统他励直流电机，本发明具有更多的接线端，每个接线端的电流只有电机电枢电流的m分之一或电机励磁电流的n分之一，电机与外部直流电源装置之间的连接线和连接件，对接触电阻和绝缘的要求较低，降低了生产成本，有助于提高系统的可靠性和安全性。

此外，本发明能够打破国外对于功率模块、控制器和高性能电驱动装置的垄断和封锁，不仅将他励直流电机应用于电动汽车、电动搬运车、轨道车、观光游览车、货车、船舶等大负荷电动设备，而且还可以提高电动设备的性能，应用于数控机床和潜艇等高性能电动设备，实现高性能电动驱动装置的国产化。

总之，本发明具有结构设计合理、简单、可靠性和安全性高、可应用于大功率和高性能的他励直流电机驱动装置和电动设备。

附图说明

图1为本发明实施例中的他励直流电机的纵向剖面结构示意图；

图2为本发明实施例中的他励直流电机的横向剖面结构示意图；

图3为本发明的他励直流电机的电枢绕组与励磁绕组的电路连接示意图；

图4为本发明实施例中的他励直流电机的电枢绕组与励磁绕组的电路连接示意图；

图5为本发明实施例中的他励直流电机的电枢绕组单叠联结展开示意图；

图6为传统的他励直流电机的电路连接示意图；

图7为本发明实施例中的他励直流电机三对电刷的输入电流波形图；

图8为本发明实施例中的他励直流电机三个励磁绕组单元的输入电流波形图；

图9为本发明实施例中的他励直流电机的电流和传统的他励直流电机的电枢电流比较图；

图10为本发明实施例中的他励直流电机的电流和传统的他励直流电机的励磁电流比较图；以及

图11为本发明实施例中的他励直流电机的转矩和传统的他励直流电机的转矩比较图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明实施例中的他励直流电机的纵向剖面结构示意图；

图2为本发明实施例中的他励直流电机的横向剖面结构示意图；图3为本发明的他励直流电机的电枢绕组与励磁绕组的电路连接示意图；

图4为本发明实施例中的他励直流电机的电枢绕组与励磁绕组的电路连接示意图；图5为本发明实施例中的他励直流电机的电枢绕组单叠联结展开示意图。

在本实施例中，他励直流电机100与外部的第一直流电源装置和第二直流电源装置(图未示)相连接，他励直流电机具有额定电枢电流和额定励磁电流。

如图1和图2所示，他励直流电机100包括机壳11、定子12、电刷13、转子14以及接线盒(未在图中示出)。如图3所示，根据电机额定电枢电流的值将电刷的对数设置为m。如图4和图5所示，本实施例中m设置为3。当功率开关管的触点承受的最大输出电流为i1，多相交流电机的最大线电流为imax，电刷对数m满足下述条件：m＞imax÷i1。

定子12设置在机壳11内，包含3对共6个主磁极121以及一个励磁绕组部122；每个主磁极121上包含3个励磁线圈，每个励磁线圈通过由包裹有绝缘层的导体构成的绝缘导体在主磁极121上分别绕制而成，绝缘导体条为漆包线和绝缘铜导条中的任意一种，本实施例中，绝缘导体条为漆包线。本实施例中，每个主磁极121上的3个励磁线圈的绕制方向和匝数相同。

如图2所示，每一个主磁极121上分别提取一个励磁线圈共6个励磁线圈连接成如图4所示的一个励磁绕组单元1221，励磁绕组部122含有3个励磁绕组单元1221，每个励磁绕组单元1221中绝缘导体条具有根据励磁线圈的预设电流方向而区分的一端和另一端，每一对主磁极含有与励磁线圈绕制方向和励磁线圈的预设电流方向相对应的s极性主磁极1211和n极性主磁极1212。本实施例中，每个主磁极121上的3个励磁线圈的绕制方向和匝数都相同。

在每个励磁绕组单元1221中，6个励磁线圈的连接关系是串联、并联或串并联中的任意一种，而且各个励磁绕组单元1221中的6个励磁线圈的连接关系相同，本实施例中，6个励磁线圈的连接关系是串联。

如图1和图2所示，3对共6个电刷13设置在机壳11内，每一对电刷13含有一个与s极性主磁极1211相对应的s极对应电刷131和一个与n极性主磁极1212相对应的n极对应电刷132。电刷13是窄电刷或宽电刷中的任意一种，本实施例中电刷13是窄电刷。

如图2所示，转子14设置在定子内，如图5所示，转子14包含多个电枢绕组141，多个电枢绕组141的联结方式是单叠、复叠和复波中的任意一种。本实施例中，多个电枢绕组的联结方式是单叠。

接线盒固定在机壳11上，在如图4所示，3个第一外部接线端1511、3个第二外部接线端1512、3个第三外部接线端1513以及3个第四外部接线端1514被设置在接线盒内。一个第一外部接线端1511和相对应的一个第二外部接线端1512构成一个电枢接线单元。一个第三外部接线端1513和相对应的一个第四外部接线端1514构成一个励磁接线单元。3个电枢接线单元与至少一个第一直流电源装置对应电气连接，3个励磁接线单元与至少一个第二直流电源装置对应电气连接，直流电源装置为斩波器、电池和整流电源中的一种。本实施例中，3个电枢接线单元与3个斩波器电源装置一一对应电气连接，3个励磁接线单元与3个斩波器电源装置一一对应电气连接，3个斩波器的开关频率都是1千赫兹。

如图4所示，各对电刷中对应于相同极性主磁极的3个电刷作为3个第一外部接线端1511用于与第一直流电源装置的一极(例如直流电源装置的正极)电气连接，各对电刷中的另3个电刷作为3个第二外部接线端1512用于与第一直流电源装置的另一极(例如直流电源装置的正极)电气连接。各个励磁绕组单元1221的3个一端作为3个第三外部接线端1513用于与第二直流电源装置的一极(例如直流电源装置的正极)电气连接，各个励磁绕组单元1221的3个另一端作为3个第四外部接线端1514用于与第二直流电源装置的另一极(例如直流电源装置的负极)电气连接。

图6为传统的他励直流电机的电路连接示意图；图7为本发明实施例中的他励直流电机三对电刷的输入电流波形图；图8为本发明实施例中的他励直流电机三个励磁绕组单元的输入电流波形图；图9为本发明实施例中的他励直流电机的电流和传统的他励直流电机的电枢电流比较图；图10为本发明实施例中的他励直流电机的电流和传统的他励直流电机的励磁电流比较图；以及图11为本发明实施例中的他励直流电机的转矩和传统的他励直流电机的转矩比较图。

图6为传统的他励直流电机的电路连接示意图，他励直流电机只有4个接线端，接线单元与2个斩波器电源装置对应电气连接，斩波器的开关频率都为1千赫兹。

在稳定状态下，电流纹波为最大值和最小值之差，纹波系数为最大值和最小值之差与平均值的百分比。

如图7所示，本发明实施例中的他励直流电机三对电刷a1b1、a2b2和a3b3的电流纹波都等于99.31－87.33＝11.99安培，平均值都等于93.32安培，纹波系数都等于11.99/93.32×100％＝12.84％。

如图8所示，本发明实施例中的他励直流电机三个励磁绕组单元1221、1222和1223的电流纹波都等于61.97－61.37＝0.60安培，平均值都等于61.67安培，纹波系数都等于0.60/61.67×100％＝0.97％。

如图9所示，在稳定状态下，本发明实施例中的他励直流电机的电枢电流等于图7中三对电刷a1b1、a2b2和a3b3的电流之和，电枢电流的纹波为281.95－277.98＝3.97安培，平均值等于279.97安培，纹波系数都等于3.97/279.97×100％＝1.42％。传统电机的电枢电流纹波等于297.94－261.98＝35.96安培，平均值等于279.97安培，纹波系数等于35.96/279.97×100％＝12.84％。虽然本发明实施例中的他励直流电机和传统电机的电枢电流平均值相同，但是本发明实施例中的他励直流电机的电枢电流纹波和纹波系数都只有传统电机的九分之一。

如图10所示，在稳定状态下，本发明实施例中的他励直流电机的励磁电流等于图8中三个励磁绕组单元1221、1222和1223的电流之和，励磁电流的纹波为185.10－184.90＝0.2安培，平均值等于185.0安培，纹波系数都等于0.2/185×100％＝0.11％。传统电机的励磁电流纹波等于185.9－184.1＝1.8安培，平均值等于185.0安培，纹波系数等于1.8/185.0×100％＝0.97％。虽然本发明实施例中的他励直流电机和传统电机的励磁电流平均值相同，但是本发明实施例中的他励直流电机的励磁电流纹波和纹波系数都只有传统电机的九分之一。

已知，他励直流电机的电磁转矩和运动方程如下

其中，tem为电磁转矩；ct为转矩常数；φ为主磁场的磁通；laf为励磁绕组部和电枢绕组的互感，为常数；if为励磁绕组部电流；ia为电枢绕组电流；tload为负载转矩；j为负载的转动惯量，为常数；ω为输出角速度；在式(1)中，电磁转矩tem与电枢电流ia和主磁场的磁通φ乘积成正比，直流电机的主磁场是由斩波器供电的励磁绕组部激励的，根据式(1)可知，电磁转矩tem与电枢电流ia和励磁绕组部电流if的乘积成正比，励磁绕组部电流if的纹波系数和电枢绕组电流ia的纹波系数将导致电磁转矩tem产生更大的纹波系数、输出角速度ω的脉动或纹波更大，驱动装置和电动设备的性能更差。

在本实施例中，laf取为1，在稳定状态下，如图11所示，本发明实施例中的他励直流的电机转矩纹波等于52188.25－51398.38＝789.87n.m，平均值等于51793.56n.m，纹波系数等于1.53％。传统的他励直流电机的转矩纹波等于55386.15－48229.93＝7156.21n.m，平均值等于51798.89n.m，纹波系数等于13.82％。

也就是说，本实施例中的他励直流电机尽管和传统电机的转矩平均值基本相同，但是本实施例中的他励直流电机转矩的纹波和纹波系数都只有传统电机的九分之一，减小电机的输出转矩的纹波和纹波系数，进而减小电机输出转速的的纹波和纹波系数，最终实现减小电机的电磁干扰、振动和噪声，提高串励直流电机和电动设备的性能的目的。

实施例的作用与效果

根据本实施例提供的他励直流电机，因为一对电刷之间连接了一条电枢绕组支路，每对电刷和左右相邻的两个电刷分别连接了一条电枢绕组支路，所以，每个第一外部接线端和对应的第二外部接线端由一个外部直流电源装置独立供电时，每个外部直流电源装置只要承担最多2条电枢绕组支路的工作电流，只有电机电枢电流的m分之一。随着电机电枢电流的增加，只要m足够大，由m个外部直流电源装置独立供电，每个外部直流电源装置的输出电流就可以小到不需要采用功率模块或并联均流技术，从而降低成本。

而且，外部直流电源装置和电机中的电枢绕组、电刷、励磁绕组单元、连接线出现故障时，只需要把故障部分屏蔽即可，其他正常部分依然可以工作，提高了系统的可靠性和安全性。

每个外部直流电源装置可以采用不同的控制，使得每个输出电流的波形不一致，把所有外部直流电源装置的输出电流之和的纹波和纹波系数减小，也就是电机励磁电流和电枢电流的的纹波和纹波系数都减小，从而减小电机的输出转矩的纹波和纹波系数，进而减小电机输出转速的的纹波和纹波系数，减小电机的电磁干扰、振动和噪声。

相对于只有四个接线端的传统他励直流电机，本实施例具有更多的接线端，每个接线端的电流只有电机电枢电流的三分之一或电机励磁电流的三分之一，电机与外部直流电源装置之间的连接线和连接件，对接触电阻和绝缘的要求较低，降低了生产成本，有助于提高系统的可靠性和安全性。

此外，本发明能够打破国外对于功率模块、控制器和高性能电驱动装置的垄断和封锁，使得该发明不但可以应用于电动汽车、电动搬运车、轨道车、观光游览车、货车、船舶等大负荷电动设备，而且还可以提高电动设备的性能，应用于数控机床和潜艇等高性能电动设备，实现高性能电动驱动装置的国产化。

总之，本实施例具有结构设计合理、简单、可靠性和安全性高、可应用于大功率和高性能电动驱动装置和电动设备。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。